DE10343756A1

DE10343756A1 - Lufteinlasskühlsystem und -verfahren

Info

Publication number: DE10343756A1
Application number: DE10343756A
Authority: DE
Inventors: Steven Redhill Joyce; Chris Southwick Whelan; Ian Bishop Stortford Gouldson; Chris West Chiltington Bush; Noel Henderson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: US20050051145A1; GB2393759B; US7004154B2; GB0222987D0; DE10343756B4; GB2393759A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zum Kühlen von Ansaugluft vor dem Eintritt in eine Verbrennungskammer eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in einem Dieselmotor. Die Erfindung stellt ein Lufteinlasssystem für einen Verbrennungsmotor bereit, das einen in einem Einlasskanal in Durchflussrichtung nach einem Lader angeordneten Kühler, einen Bypasskanal zur Kommunikation zwischen einem in Durchflussrichtung vor dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals und einem in Durchflussrichtung nach dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals, um einem vom Lader abströmenden Luftstrom die Umgehung des Kühlers zu ermöglichen, ein im Bypasskanal angeordnetes Bypassregelventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals und eine im Bypasskanal angeordnete Durchflussbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Durchflusses für den Fall, dass das Bypassventil in einer offenen Stellung verharrt, umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zum Kühlen von Ansaugluft vor dem Eintritt in eine Verbrennungskammer eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in einem Dieselmotor.

Viele Kraftfahrzeugmotoren werden durch Komprimierung der Luft vor Einlass in die Verbrennungskammern aufgeladen. Ein Turbolader enthält ein Turbinenrad, das durch die Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben wird und das wiederum einen Rotationsverdichter antreibt. Ein Kompressor enthält einen Rotationsverdichter, der durch den Verbrennungsmotor direkt oder durch einen letztendlich vom Verbrennungsmotor angetriebenen Motor angetrieben wird. Insbesondere Dieselmotoren werden zur Steigerung der Motorleistung vorwiegend aufgeladen.

Wenn angesaugte Luft verdichtet wird, wird sie gleichzeitig erwärmt. Konventionell wird die Ansaugluft vor dem Eintritt in die Verbrennungskammer mithilfe eines Ladeluftkühlers oder eines Zwischenkühlers gekühlt.

Oftmals ist ein solcher Kühler mit einem Bypasskanal ausgestattet, so dass die Ladeluft den Kühler umgehen kann, um zum Beispiel das Aufwärmen des Motors zu unterstützen, Emissionen zu senken oder das Verbrennungsgeräusch zu dämpfen. Die Ladeluft wird in den Bypasskanal über ein Bypassventil eingelassen, das entsprechend verschiedener Motorbetriebsparameter angesteuert wird. Die Verwendung eines Bypasskanals ist insbesondere für Dieselmotoren relevant, die gewöhnlich einen Ladeluftansaugkanal besitzen, der nicht durch ein Drosselventil in Abhängigkeit einer Gaspedalstellung geregelt wird.

Ein Problem mit solchen bekannten Ansaugluftsystemen besteht jedoch darin, dass das Bypassventil versagen kann und in einer offenen Stellung verharrt. Dadurch wird die gesamte Ladeluft um den Ladeluftkühler herum geleitet. Es besteht die Gefahr, dass eine übermäßig hohe Ladelufttemperatur bei hohen Motorbelastungen zu einem Motorschaden führt.

Entsprechend der Erfindung wird ein Lufteinlasssystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, das einen in einem Einlasskanal in Durchflussrichtung nach einem Lader angeordneten Kühler; einen Bypasskanal zur Kommunikation zwischen einem in Durchflussrichtung vor dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals und einem in Durchflussrichtung nach dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals, um einem vom Lader abströmenden Luftstrom die Umgehung des Kühlers zu ermöglichen; ein im Bypasskanal angeordnetes Bypassregelventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals; und eine im Bypasskanal angeordnete Durchflussbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Durchflusses für den Fall, dass das Bypassventil in einer offenen Stellung verharrt, umfasst.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird außerdem ein Ladeluftkühler bereitgestellt, der einen Kühlkanal, einen Bypasskanal, ein im Bypasskanal angeordnetes Bypassregelventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals; und eine im Bypasskanal angeordnete Durchflussbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Durchflusses für den Fall, dass das Bypassventil in einer offenen Stellung verharrt, umfasst.

Vorzugsweise umfasst die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Durchflussbegrenzungsdüse, die so dimensioniert ist, dass der Durchfluss nicht behindert wird, solange kein festgelegter kritischer Durchsatz erreicht ist.

Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Kühlung von Ladeluft mithilfe eines Kühlers mit einem Kühlkanal und einem Bypasskanal bereit, das den Schritt des Betriebs eines Bypassregelventils umfasst, so dass der Kühlkanal bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen umgangen wird, und bei dem, für den Fall eines Fehlers des Bypassregelventils, der Durchfluss durch den Bypasskanal auf einen festgelegten kritischen Durchsatz begrenzt wird.

Im Folgenden werden die Ausgestaltungen der Erfindung nur anhand von Beispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein Lufteinlasssystem entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung schematisch darstellt;
2 einen Ladeluftkühler entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung schematisch darstellt;
3 ein Diagramm ist, das die Auswirkung des Düsendurchmessers bei maximalem Durchsatz für verschiedene Vordrücke darstellt;
4 ein Diagramm ist, das den prozentualen Durchsatz durch einen Bypasskanal sowohl mit als auch ohne Düse bei verschiedenen Motordrehzahlen darstellt.
In 1 besitzt ein Verbrennungsmotor 1 eine Vielzahl von Zylindern 2, wobei in diesem Beispiel vier Zylinder 2 vorhanden sind. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Lufteinlasskanal 3 ausgestattet. Der Lufteinlass könnte durch ein Drosselventil 4 geregelt werden, das entsprechend einer Gaspedalstellung betätigt wird, obwohl die Erfindung besonders für Dieselmotoren relevant ist, die möglicherweise kein Drosselventil 4 haben. Ein Lader 5, der ein Turbolader oder Kompressor sein könnte, dient zum Komprimieren von Luft vor dem Eintritt in die inneren Verbrennungskammern der Zylinder 2.
Ein Ladeluftkühler 6 dient zum Kühlen der vom Lader 5 empfangenen komprimierten Luft. Ein Bypasskanal 7 wird mithilfe eines entsprechend bestimmter Motorbetriebsparameter betätigten Bypassventils 8 geöffnet und geschlossen. Der Bypasskanal ermöglicht unter bestimmten Umständen den Einlass ungekühlter Luft in die Verbrennungskammern.
Das in 1 gezeigte Bypassventil 8 öffnet oder schließt den Bypasskanal 7. Wenn der Bypasskanal geöffnet ist, passiert trotzdem eine geringe Luftmenge den Kühler 6 über den parallelen Weg, der nach wie vor geöffnet ist.
Das Bypassventil 8 wird entsprechend der Ladelufttemperatur angesteuert und geöffnet, wenn die Temperatur unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt. Ist das Ventil 8 ein Drosselventil, ist variables Ansteuern des Ventils möglich. Jedoch variiert der Durchsatz in Abhängigkeit des Ventilstellungswinkels nicht linear, und deshalb ist die variable Ansteuerung eingeschränkt. Das Bypassventil 8 kann durch ein Thermostatventil implementiert werden, das sich entsprechend der Ladelufttemperatur öffnet.
Nach Passage oder Umgehung des Ladeluftkühlers 6 wird die Ladeluft über die jeweiligen Einlassstutzen 10 in die Brennkammer jedes Zylinders 2 eingelassen.
Der Bypasskanal 7 ist mit einer Durchflussbegrenzungsdüse 9 ausgestattet, die so dimensioniert ist, dass unterhalb eines festgelegten kritischen Durchsatzes kein signifikanter Druckverlust auftritt, jedoch oberhalb des kritischen Durchsatzes der gesamte Bypassdurchsatz eingeschränkt wird.
Idealerweise wird der maximale Bypassdurchsatz auf etwa 50 % des Maximaldurchsatzes begrenzt, für den der Verbrennungsmotor ausgelegt ist. Der Maximaldurchsatz hängt von der Querschnittsfläche der Düse und dem Vorluftdruck und der Vortemperatur ab.
3 stellt den Maximaldurchsatz in kg/s für bestimmte Düsendurchmesser dar. Diese Figur zeigt, dass ein Ansteigen des Vordrucks keinen großen Einfluss auf den Maximaldurchsatz durch die Düse hat.
4 stellt den prozentualen Durchsatz (gezeigt als prozentualer Anteil am Maximaldurchsatz, für den der Verbrennungsmotor ausgelegt ist) über der Motordrehzahl dar. Ist eine Düse vorhanden, wird der Maximaldurchsatz auf 50 % begrenzt, wenn die Motordrehzahl auf über 50 % ansteigt.
Damit wird für den Fall, dass das Bypassventil versagt und weiterhin Ladeluft durchlässt, der Durchsatz mithilfe der Düse 9 zur Vermeidung eines kritischen Durchsatzes begrenzt.
Der Bypasskanal könnte sich außerhalb des Ladeluftkühlers befinden, wie in 1 gezeigt, oder im Ladeluftkühler integriert sein, wie in 2 dargestellt, in der gleiche Teile mit gleichen um einen Strich ergänzte Bezugsnummern gekennzeichnet sind.
Die voranstehende Beschreibung soll als Darstellung und nicht als Beschränkung aufgefasst werden, und die folgenden Patentansprüche sollen den Geltungsbereich der Erfindung definieren.

Claims

Lufteinlasssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: – einen in einem Einlasskanal in Durchflussrichtung nach einem Lader angeordneten Kühler; – einen Bypasskanal zur Kommunikation zwischen einem in Durchflussrichtung vor dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals und einem in Durchflussrichtung nach dem Kühler befindlichen Abschnitt des Einlasskanals, um einem vom Lader abströmenden Luftstrom die Umgehung des Kühlers zu ermöglichen; – ein im Bypasskanal angeordnetes Bypassregelventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals; – eine im Bypasskanal angeordnete Durchflussbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Durchflusses für den Fall, dass das Bypassventil in einer offenen Stellung verharrt.
Lufteinlasssystem nach Anspruch 1, in dem die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Durchflussbegrenzungsdüse umfasst, die so dimensioniert ist, dass der Durchfluss nicht behindert wird, solange kein festgelegter kritischer Durchsatz erreicht ist.
Ladeluftkühler, umfassend: – einen Kühlkanal; – einen Bypasskanal; – ein im Bypasskanal angeordnetes Bypassregelventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals; – eine im Bypasskanal angeordnete Durchflussbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Durchflusses für den Fall, dass das Bypassventil in einer offenen Stellung verharrt.
Ladeluftkühler nach Anspruch 3, in dem die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Durchflussbegrenzungsdüse umfasst, die so dimensioniert ist, dass der Durchfluss nicht behindert wird, solange kein festgelegter kritischer Durchsatz erreicht ist.
Verfahren zur Kühlung von Ladeluft mithilfe eines Kühlers mit einem Kühlkanal und einem Bypasskanal, das den Schritt des Betriebs eines Bypassregelventils umfasst, so dass der Kühlkanal bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen umgangen wird, und bei dem, für den Fall eines Fehlers des Bypassregelventils, der Durchfluss durch den Bypasskanal auf einen festgelegten kritischen Durchsatz begrenzt wird.